我国学者在暗物质基本性质研究中取得进展

图1 PandaX两相型氙实验探测暗物质电磁性质的原理图

图2 PandaX-4T实验对暗物质电荷均方半径、电偶极距、磁偶极距以及无辐射零极矩的限制（蓝色）和国际同类实验的比较，以及同中微子、中子相对应的电磁性质的比较

在国家自然科学基金项目（批准号：12090061、12222505）等资助下，上海交通大学刘江来和周宁教授团队利用PandaX-4T液氙探测器的实验数据，在暗物质基本性质研究中取得进展，对暗物质可能具有的电磁性质给出了国际最好的探测结果。研究成果以“从氙反冲数据得出的暗物质的亮度极限（Limits on the luminance of dark matter from xenon recoil data）”为题，于2023年5月17日在线发表于《自然》（Nature）期刊，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05982-0。

宇宙中构成已知物质的基本粒子具有电磁性质，并通过光子传递相互作用，这些物质都具有“亮度”，即使是电中性的粒子也不例外。大量的天文和宇宙学观测通过引力效应证实，宇宙中存在着一种神秘物质，其数量比已知物质多出五倍以上。这些神秘物质呈电中性，迄今为止还未被人类用电磁手段所“看”到，因此被称为“暗物质”。然而，暗物质粒子是否存在“亮度”，一直是全世界科学家试图回答的一个基本问题。我国自主研发的位于锦屏地下实验室的新一代PandaX-4T实验，是国际首个投入运行的多吨级液氙探测实验。如果暗物质具有非零的“亮度”，它们可以通过交换光子同氙原子核产生长程相互作用，呈现出独特的反冲特征。实验团队基于前期同美国科学院院士WickHaxton教授合作实现的有效场方法，把不同电磁效应转换为不同有效算符核矩阵元的组合，得到了相应的暗物质碰撞率和反冲特征；根据刻度数据构建了可靠的信号响应模型；通过似然度拟合方法对暗物质可能的电磁性质开展了系统寻找（图1）。

根据观测数据（图2），PandaX对暗物质电荷均方半径给出了国际首个实验上限，最强的上限值 出现在暗物质质量为40倍质子质量附近，比中微子电荷均方半径实验上限还要小1万倍，换算成实际尺寸比质子还要小约10万倍！此外，PandaX对暗物质其它电磁性质的测量也比之前国际最好结果提升了3-10倍。PandaX的研究利用了最灵敏的氙原子核反冲数据，系统地给出了当前最佳水平的暗物质“亮度”上限，这一成果显著推动了人类对暗物质究竟有多“暗”的定量理解。